生态学报  2014, Vol. 34 Issue (10): 2654-2662

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刘文静, 张平究, 董国政, 孔令柱, 郑真, 司红君
LIU Wenjing, ZHANG Pingjiu, DONG Guozheng, KONG Lingzhu, ZHENG Zhen, SI Hongjun
不同退耕年限下菜子湖湿地土壤磷素组分特征变化
Characteristics of soil phosphorus fractions in wetlands with various restoration age in caizi lake, Anhui Province
生态学报, 2014, 34(10): 2654-2662
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(10): 2654-2662
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201312082909

文章历史

收稿日期:2013-12-8
网络出版日期:2014-4-25
不同退耕年限下菜子湖湿地土壤磷素组分特征变化
刘文静1, 张平究1 , 董国政2, 孔令柱1, 郑真1, 司红君1    
1. 安徽师范大学国土资源与旅游学院/安徽自然灾害过程与防控研究省级重点实验室, 芜湖 241003;
2. 南京牛首山园林管理有限公司, 南京 211100
摘要:选取菜子湖区不同退耕年限(2、5、8、10a和20a)湿地为研究对象,以仍耕作油菜地和原始湿地为参照,分析了土壤全磷(TP)、有效磷(AP)、有机磷(OP)和无机磷(IP)各形态含量,探讨退耕还湖后湿地土壤磷素组分特征变化规律。结果表明:研究区土壤无机磷各形态含量大小顺序为:铁磷(Fe-P:73.55-391.76 mg/kg) > 钙磷(Ca-P:21.64-108.04 mg/kg)>闭蓄态磷(O-P:17.15-29.57 mg/kg)>铝磷(Al-P:5.84-25.97 mg/kg),其中Fe-P占了土壤无机磷总量的54.20%-74.13%;退耕还湖2-8a期间,湿地土壤Al-P、Fe-P和O-P含量有逐渐降低趋势,而退耕8-20a后逐渐上升,以Fe-P为主的这3形态磷左右着退耕后土壤无机磷的变化;Ca-P随退耕年限增加整体呈上升趋势,对土壤无机磷的贡献逐渐增加;无机磷占土壤全磷的比例为35.90%-67.27%,主导着退耕后湿地土壤全磷变化;有机磷占土壤全磷的17.82%-50.51%,在退耕2a后下降,随后开始逐渐上升,对退耕后湿地土壤磷库恢复的贡献逐渐增加;其中Fe-P、O-P和Al-P控制着退耕后土壤磷素有效性变化。退耕后水文条件、植被生长和土壤黏粒含量变化不仅影响退耕后湿地土壤磷素组分特征,也影响着退耕后湿地土壤磷素有效性。
关键词退耕还湖    湿地土壤    磷素形态    磷素有效性    菜子湖    
Characteristics of soil phosphorus fractions in wetlands with various restoration age in caizi lake, Anhui Province
LIU Wenjing1, ZHANG Pingjiu1 , DONG Guozheng2, KONG Lingzhu1, ZHENG Zhen1, SI Hongjun1    
1. College of Territorial Resource and Tourism, Anhui Normal University/Anhui key Laboratory of Natural Disasters Process and Prevention, Wuhu 241003, China;
2. Niushoushan Garden Management Company Limited, Nanjing 211100, China
Abstract:Phosphorus (P) is often the critical limiting nutrient controlling the productivity of wetlands. However, water eutrophication caused by P over enrichment impairs water quality and destroys wetland ecosystem. Very limited information is available on the characteristics change of P pool in wetland soils after returning farmland to lake (RFL). We used P fractionation techniques to investigate P distribution in soils, sampled from wetlands with various age (2, 5, 8, 10 and 20a) of RFL, rape field, and native wetlands in the Caizi lake, Anhui province. The results showed that the contents of inorganic P (IP) were in the order: Fe-P (73.55-391.76 mg/kg) > Ca-P (21.64-108.04 mg/kg) > O-P (17.15-29.57 mg/kg) > Al-P (5.84-25.97 mg/kg), moreover Fe-P, as a main component, accounted for 54.20%-74.13% of IP in studied field. All of Al-P, Fe-P and O-P declined within the restoration period of 2-8a, and began to increase gradually after 8a of RFL. The contents of Ca-P increased progressively with the age of RFL, and showed more and more contribution to IP. Soil inorganic P accounted for 35.90%-67.27% of soil total P, owning the same change tendency as Fe-P with various age of RFL, and dominated the change tendency of TP after RFL. Soil organic P accounted for 17.82%-50.51% of total P and increased gradually with the RFL age. With restoration age, the contribution of Ca-P to inorganic P pool and organic P to total P pool increased. The results also indicated Al-P, Fe-P and O-P controlled P availability in wetlands with RFL age. The changes of soil P contents, composition, and availability were attributed to soil clay content, and shift of hydrological condition and recovery status of vegetation after RFL.
Key words: returning farmland to lake    wetland soil    forms of phosphorus    phosphorus availability    Caizi lake    

湿地是介于陆地和水生生态系统之间的过渡地带,具有独特的水文、土壤、植被与生物特征,是自然界生物多样性最丰富的生态景观和人类重要的生存环境,被誉为“自然之肾”[1]。由于人类长期的不合理开发利用,长江中下游湿地生态系统有着退化的趋向。自1998年长江特大洪水后,退耕还湖成为我国长江中下游湿地生态恢复的重要举措。退化湿地生态系统功能恢复及其环境效应成为湿地科学研究的重要方向[2]

磷是湿地生态系统的主要限制性养分之一,影响着湿地生态系统结构、功能和生产力[3]。湿地可通过土壤基质吸附、植物吸收和微生物积累等途径截留外源磷素,增加湿地土壤磷含量[1, 4, 5]。同时湿地土壤或沉积物在一定条件下释放自身磷素或吸附的外源磷素,致使上覆水体中磷含量增加,导致湿地上覆水体富营养化[4, 5, 6, 7],破坏良性湿地生态系统的结构与功能。磷素通过在湿地土壤的生物地球化学过程,形成生物化学性质各异的各种形态,不同生物化学性质的形态磷素不仅影响磷素总体生物有效性,也影响磷素在土壤及土壤与水体间迁移转化[5, 6, 7, 8, 9]。因此,湿地土壤磷素分级研究方法不仅可有效揭示湿地土壤磷素状况[10],也可更好评估湿地土壤磷流失风险。当前湿地土壤磷素形态研究表明湿地利用方式[11, 12]、植被类型及生长[13, 14]、干湿交替[4, 6]、季节变化[15]、土壤母质[16, 17]和季节性淹水或洪水[18, 19]等均对磷素形态组分及含量产生影响,进而影响湿地土壤磷素生物有效性及磷素迁移转化行为,但尚未见到退耕还湖后湿地土壤磷素形态组分变化的研究报道。

本文通过磷素分级方法研究不同退耕年限(2、5、8、10a和20a)湿地、原始湿地和仍耕作油菜地土壤全磷、有效磷、有机磷和无机磷组分进行比较分析,探讨退耕还湖后湿地生态恢复过程中土壤磷库特征变化及环境效应,为长江中下游沿江退化湿地生态恢复及其有效管理提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

菜子湖位于安徽省安庆市,是长江中下游淡水湖泊群的重要组成部分之一。湖区地貌以丘陵和冲积平原为主,年平均气温16.6℃,年平均降水量1325.5 mm。4—10月为丰水期,水深3 m 以上,11月—翌年3月为枯水期,湖底大多出露为滩涂。湖区主要土壤类型为红壤、潮土和水稻土。20世纪50年代菜子湖区开始大规模围垦,导致湿地大面积消失,到80年代中期开始逐步退耕还湖,1998年特大洪水后,加快退耕还湖进程。本研究中退耕还湖湿地样地均为水产养殖区,养殖区水体与自然水域自由联通。

1.2 土样采集与处理

于2010年12月在菜子湖区先让村、双兴村、许咀村、玉咀村和苏家庄村,选择不同退耕年限湿地(×aW)、原始湿地(NW)和油菜地(RF)典型样地。退耕湿地除退耕年限不同外,其他条件相同或相似,植被均为乳突苔草群落(Carex maximowiczii),退耕前耕作历史均为种植油菜(Brassica campestris)。退耕湿地退耕年限分别为2a(2aW)、5a(5aW)、8a(8aW)、10a(10aW)和20a(20aW)。2010年12月份采样时,苔草尚在发芽,当时未描述样地植被高度和盖度。本文采用2011年4月在该样地采样时的植被描述。RF(30°53′57″ N,117°06′07″ E):植株高约145 cm,盖度约95%;2aW(30°55′36″ N,117°06′08″ E):植株高约40 cm,盖度约30%;5aW(30°55′35″ N,117°06′08″ E):植株高约55 cm,盖度约75%;8aW(30°53′43″ N,117°06′43″ E):植株高约80 cm,盖度约100%;10aW(30°53′46″ N,117°06′44″ E):植株高约80 cm;盖度约100%;20aW(30°53′11″ N,117°00′59E):植株高约100 cm,盖度约100%;NW(30°56′44″ N,117°06′25″ E):植株高约90 cm,盖度约100%。每个样地随机设置3个重复,每个重复样地面积30 m×30 m,在此范围内按“S”型样线采5个土样混合1个样,分表层(0—6 cm)和亚表层(6—16 cm)分别采集。土壤样品经自然风干后磨碎,分别过2 mm和0. 149 mm 径筛,保存备用。

1.3 分析方法

土壤理化性质指标测定方法[20]如下:土壤容重测定采用环刀法,同时测定土壤含水量;pH 值测定采用电位计法〔V(水)∶m(土) =2.5∶1〕;土壤有机质(SOM)含量测定采用重铬酸钾-外加热法;全氮(TN)含量测定采用半微量-凯氏法;全磷(TP)含量测定采用硫酸-高氯酸-钼锑抗比色法;有效磷(AP)含量测定采用碳酸氢钠-钼锑抗比色法;土壤黏粒(CC)含量分析参照MURRAY的方法[21];无机磷(IP)分级采用张守敬和Jackson的方法[19];有机磷(OP)含量测定采用烧灼法[20]。研究区样地土壤基本理化性质见表 1

表1 研究区样地土壤基本理化性质[23] Table 1 Soil physical and chemical properties of the studied soils
样地 Sample plot土壤层次 /cm Soil depthpH (H2O)含水量/% Water content黏粒/% Soil clay有机质/(g/kg) Organic matter全氮/(g/kg) Total nitrogen
RF为油菜地 RF representing rape field; 2aW、5aW、8aW、10aW和20aW分别为退耕2、5、8、10和20年湿地,2aW,5aW,8aW,10aW and 20aW representing wetlands with 2,5,8,10 and 20 years of restoration;NW为原始湿地NW representing natural wetland
RF0—64.75±0.1113.4419.78±2.3517.07±0.681.29±0.17
6—164.69±0.1517.9819.72±2.1616.57±0.341.01±0.11
2aW0—64.63±0.0619.5819.17±0.4320.93±0.361.22±0.21
6—164.60±0.0820.2618.44±0.2117.65±0.280.70±0.03
5aW0—64.69±0.0923.8922.84±0.3723.79±0.322.61±0.07
6—164.86±0.1520.2423.82±0.3118.20±0.480.76±0.08
8aW0—64.64±0.0525.2727.36±1.0425.59±0.882.43±0.06
6—164.97±0.0419.7726.55±0.7118.94±0.310.84±0.01
10aW0—64.54±0.0628.3530.81±0.6629.65±0.602.17±0.21
6—164.84±0.0220.5132.60±0.8219.12±0.161.03±0.08
20aW0—64.60±0.0545.1931.09±1.4344.29±1.471.87±0.28
6—164.67±0.1033.3832.24±1.7020.27±0.800.87±0.08
NW0—64.56±0.1360.9734.86±1.1851.77±3.343.28±0.50
6—164.62±0.0652.9734.67±1.8324.15±0.621.47±0.29
1.4 数据处理分析

利用EXCEL2003对数据进行处理、制图;应用SPSS(17.0)对数据进行差异分析和相关性分析。

2 结果与分析 2.1 退耕后湿地土壤无机磷各形态含量变化

土壤中磷素的形态决定磷素有效性,恰当的磷素分级方法能较好地评价土壤有效磷库的大小和磷素的供应状况[8, 10]。本文针对研究区湿地土壤属于酸性土的特点(表 1),采用张守敬和Jackson提出的无机磷分级方法,把湿地土壤无机磷分为Al-P、Fe-P、O-P和Ca-P四种形态,退耕后湿地土壤不同形态无机磷含量变化如图 1。研究区退耕湿地土壤无机磷形态以Fe-P为主,含量在73.55—391.76mg/kg之间,占总无机磷的比例为54.20%—74.13%;Ca-P次之,含量在21.64—108.04mg/kg,占总无机磷的7.26%—26.72%;O-P含量在17.15—29.57mg/kg,占总无机磷的比例为4.93%—16.28%;Al-P含量在5.84—25.97mg/kg之间,占总无机磷的比例最低,在3.54%—9.02%之间。研究结果与白军红等对向海湿地[24]和张彬等对三峡库区消落带湿地土壤无机磷以Ca-P为主[7]的结果有差异,这与该研究区土壤属于酸性土而向海湿地和三峡库区消落带湿地土壤属中性或碱性土有关,一般酸性土壤无机磷以Fe-P、Al-P为主,而中性或碱性土壤无机磷以Ca-P为主[4, 8]。由表 2可知,退耕湿地土壤无机磷与Al-P、O-P呈显著正相关(P<0.005),与Fe-P、Ca-P呈极显著正相关(<i>P <0.001),同时Fe-P占土壤无机磷比重最大(54.20%—74.13%)。因此,退耕后湿地土壤Fe-P主导着无机磷变化趋势。

图 1 不同退耕年限下湿地土壤Al-P、Fe-P、O-P、Ca-P含量的变化 Fig. 1 Al-P,Fe-P,O-P,Ca-P contents in wetlands with various restoration age
表2 研究区湿地土壤磷素形态与土壤理化性状间的相关系数 Table 2 Correlation analysis of soil phosphorus fractions and soil physical and chemical properties
TPIPOPAl-PFe-PO-PCa-PAPCCSOMpH
n=14;*表示在α=0.05水平上显著相关;**表示在α=0.01水平上显著相关
IP0.921**
OP0.726**0.446
Al-P0.3360.540*-0.141
Fe-P0.887**0.991**0.3930.612*
O-P0.4310.625*-0.0790.4980.625*
Ca-P0.884**0.815**0.643*0.029-0.2540.380
AP0.718**0.775**-0.1100.780**0.793**0.651*0.456
CC0.4900.3450.626*-0.543*-0.632*0.1000.740**-0.617*
SOM0.829**0.597*0.958**-0.006-0.1410.0050.760**-0.0150.582*
pH-0.542*-0.465-0.414-0.361-0.423-0.132-0.495-0.485-0.166-0.534*
PAC0.0640.779**-0.3790.861**0.814**0.585*-0.2030.734**-0.693**-0.275-0.230

研究区湿地土壤Al-P和Fe-P在退耕2—8a表层含量低于亚表层,退耕8a后开始高于亚表层;土壤O-P含量均表现为表层低于或等于亚表层;土壤Ca-P均表现等于或高于亚表层。总体上退耕2—8a内湿地土壤Al-P、Fe-P和O-P含量均有不同程度逐渐减少趋势,其中Fe-P含量减少幅度最大,在退耕8a后,湿地土壤Al-P、Fe-P和O-P含量开始上升,而湿地土壤Ca-P含量随退耕年限的增加整体呈增长趋势。

2.2 退耕后湿地土壤无机磷、有机磷和全磷含量变化

土壤中的全磷可分为无机磷和有机磷两大部分,其中无机磷是磷素的一个极其重要的组成部分,是植物所需磷的主要来源,其含量占全磷的60%—80%[4, 20]。退耕后湿地土壤无机磷含量在135.69—545.18mg/kg,占全磷的35.90%—67.27%。退耕后湿地土壤无机磷含量的消长变化趋势与Al-P、Fe-P和O-P相似,在退耕2—8a内呈逐渐降低趋势且表层含量低于亚表层,在退耕8a后呈增长趋势且表层含量开始高于亚表层(图 2)。土壤有机磷是土壤磷素的重要组成部分,对土壤肥力和植物营养有着重要影响,我国大部分土壤有机磷占全磷的20%—40%[20]。研究区湿地土壤有机磷含量在81.25—275.01 mg/kg,占全磷比例为17.82% —50.50%,总体低于研究区湿地土壤无机磷含量。这与东北三江平原小叶章草甸土壤有机磷总量高于无机磷[15]表现有差异。退耕还湖后湿地土壤有机磷含量在退耕后2a内有所下降,退耕2a后开始随退耕年限增加而增加,且所有样地表层土壤有机磷含量高于亚表层(表 2)。土壤全磷表示土壤磷素的总储量,是衡量磷素营养水平的参考指标,主要来源于成土母质和动植物残体的归还,也与施肥措施等人类生产活动有关[20]。研究区湿地土壤全磷含量在0.31—1.08g/kg之间,且在退耕2—8a时逐渐缓慢下降,在退耕8a后开始升高,总体与退耕后湿地土壤无机磷变化一致(图 1图 2)。

图 2 不同退耕年限下湿地土壤无机磷、有机磷、全磷含量的变化 Fig. 2 Inorganic P、Organic P、Total P contents in wetlands with various restoration age

本文中若用各个形态无机磷之和再加上有机磷代表土壤全磷,那么数值均小于实测土壤全磷含量,基本只有实测全磷的75%—95%,但退耕后湿地土壤加和的全磷与实测全磷变化趋势基本一致,这可能是由于在无机磷连续分级中,每个步骤均有可能不同程度磷损失有关。

2.3 退耕后湿地土壤磷素有效性变化

土壤速效磷是土壤中可被植物吸收的组分,是土壤磷素养分直接供应水平高低的指标。退耕还湖后湿地土壤有效磷表现出退耕10a期间连续减低,而退耕20a后升高(图 3)。全磷和有效磷是用以衡量土壤磷素状态的两个重要指标,用速效磷与全磷之比——土壤磷素活化系数(Phosphorus activation coefficient,简称PAC)来衡量土壤全磷的有效性。有研究表明,PAC大于2.0%说明土壤全磷容易转化为速效磷,PAC小于2.0%说明全磷各形态很难转化为速效磷[25]。退耕后湿地土壤磷素活化系数在退耕2—10a内逐渐下降,退耕20a后开始上升,但仍未达到原始湿地水平,总体与Al-P和Fe-P变化趋势一致。其中退耕5、8a和10 a湿地土壤PAC低于2.0%,而油菜地、退耕2 a湿地、退耕20 a湿地和原始湿地高于2.0%(图 3)。

图 3 不同退耕年限下有效磷、PAC的变化 Fig. 3 Available P contents、PAC in wetlands with various restoration age
3 讨论

土壤无机磷是湿地植物所需磷的主要来源,一般在酸性土壤无机磷形态中以Fe-P和O-P占主要部分,Al-P次之,而Ca-P含量很低[4, 8, 10]。研究区样地酸性土壤环境下Fe-P含量最高,占土壤无机磷比重最大,与无机磷相关性系数最高(表 2),主导着无机磷变化趋势;但Ca-P含量也较高,处于第2位。前人研究表明湿地利用方式、植被类型及生长、干湿交替、季节变化、土壤母质和季节性洪水等均影响湿地土壤磷素形态组分及含量[11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 26]。本研究区同处于菜子湖区,除对照油菜样地植被为油菜外,其他样地优势植被均为由于退耕年限不同而长势不同的苔草,同时土壤母质、水文条件导致的干湿交替和洪水频率与性质均相同。因此,不同退耕年限后的植被状况差异是影响湿地土壤磷素形态的重要因素。植物根系通过分泌有机酸活化土壤中的Al-P、Fe-P和Ca-P,提高土壤磷素生物有效性[27, 28],而有机酸也可促进土壤O-P的积累[28]。研究区退耕还湖后苔草绝大多数根系分布在表层(0—6 cm),利用和消耗根系附近土壤Al-P和Fe-P,导致退耕2—8a内湿地表层和亚表层土壤Al-P和Fe-P含量的减少,并表现出的表层降低幅度大于亚表层。退耕还湖后湿地恢复了周期性淹水的水文条件,而淹水条件致使土壤Al-P,Fe-P和O-P转化水溶性磷,进而容易流失[4, 6],而Ca-P则不易流失[9],加上退耕期短,植被保肥功能尚未康复,致使退耕后湿地表层土壤磷素流失[23]。因此退耕后周期性淹水进一步促使退耕2—8a内湿地表层土壤Al-P,Fe-P和O-P含量降低。当退耕8a后,随着苔草等植被得到较好恢复,湿地土壤对外源磷截留和保持能力增强[23],同时由于植被恢复而增多的枯枝落叶及根系残留物中有机磷经微生物分解矿化可促进土壤Al-P,Fe-P和O-P含量逐渐升高[8],并表现出表层土壤提高幅度高于亚表层。土壤Ca-P在中性至碱性反应的、相对未风化的成土初期占优势,在中性至强酸性土壤的逐渐风化过程中可转化为生物有效性高的Al-P和Fe-P[8]。退耕后湿地土壤Ca-P含量逐渐增加,表层土壤Ca-P含量均高于亚表层,且表层土壤Ca-P占无机磷比例也由油菜地的9.2%增到退耕20a的26.7%,对无机磷贡献越来越大。这可能与湿地土壤Ca-P较难被植被吸收利用[4, 8],也不容易随淹水而流失[9]有关。有研究表明三峡库区消落带由于淹水带来的Ca-P积累远多于Al-P,Fe-P和O-P[7],因此退耕后周期性淹水或季节性洪水可带来丰富Ca-P[19],尤其水体中大悬浮颗粒含有较高磷灰石碎屑[29],促使退耕后湿地土壤Ca-P积累而持续上升。目前本课题组正对淹水后研究区地表余留结皮中磷形态组分进行分析,以探明淹水带来沉积物对湿地土壤磷素形态的影响。另外一般酸性条件下土壤Ca-P较少[8],而本研究区土壤pH为4.54—4.97,但在退耕8—20 a湿地土壤Ca-P不断积累,占无机磷达到19.5%—26.7%,这种酸性土壤环境下Ca-P积累机制需进一步研究。

土壤有机质是有机磷的载体,研究区湿地土壤有机磷含量与土壤有机质呈极显著正相关(P<0.001)(表 2)。土壤有机磷的多少取决于土壤有机质数量及有机质分解速率[4]。同时土壤有机磷与Ca-P可能结合在一起[30],有研究表明湿地沉水植物腐烂可促进土壤Ca-P沉积[31],本文研究结果也表明退耕后两者变化趋势一致,两者之间存在显著正相关关系(表 2)。退耕后随着人类活动的减弱,湿地土壤植被的不断恢复[15, 23]。虽然退耕后植被恢复也带来微生物分解有机质活性增强,但周期性淹水导致的还原条件时微生物活性降低,总体上微生物对有机质的分解速率小于有机质的累积速率[4, 15],促使退耕湿地土壤有机质逐渐提高[23],土壤有机磷不断积累。同时周期性淹水也可带来丰富的外源有机磷[7]。而湿地土壤黏粒具有较大的比表面积,易吸附固定有机物质,并通过粘土胶体保护有机质免受微生物的分解,进而保护有机磷免受微生物分解矿化。研究区土壤有机磷含量与土壤黏粒呈显著正相关(P<0.005),表明黏粒也是影响退耕后土壤有机磷积累的重要因素,随着退耕年限增加黏粒含量增加也可促进湿地土壤有机磷提高。

土壤全磷表示土壤磷素的总储量,是衡量磷素营养水平的参考指标。研究区退耕后湿地土壤全磷含量与无机磷和有机磷相关系数分别为0.921和0.726,均呈极显著正相关(P<0.001)(表 2),而无机磷占全磷平均比重大于有机磷,表明退耕后无机磷变化主导土壤全磷的变化。但退耕后湿地土壤有机磷含量逐渐升高,占土壤全磷的比重也逐渐增加,表明有机磷对于退耕湿地土壤磷库恢复也起着重要作用。对于退耕还湖前油菜地,土壤全磷来源土壤母质,也来源于化肥施用;退耕后湿地生态系统,周期性淹水或季节性洪水是外源磷主要来源。因此,研究区退耕初期周期性淹水条件造成可溶磷素的流失以及植被恢复对土壤磷的消耗,导致土壤全磷降低,而退耕后期随着植被恢复导致土壤无机磷和有机磷增加进而导致全磷增加。

湿地土壤有机磷的磷素有效性较低,需经微生物分解矿化提高有效性[7],酸性或中性土壤环境下无机磷中Al-P和Fe-P的磷素有效性很高,而淹水促进Fe3+的还原使部分O-P得到释放,并向有效性较高的Al-P和Fe-P转化,Ca-P有效性较低,可在植物分泌的有机酸作用下可提高生物有效性[4, 6]。研究区退耕2—8a土壤表层Al-P、Fe-P和O-P含量表现出低于亚表层,而土壤Ca-P和有机磷却均为表层高于或等于亚表层,佐证了Al-P、Fe-P和O-P利用性或活性高于Ca-P和有机磷,3种无机磷形态易被植被恢复对磷素利用或周期性淹水而流失。退耕后湿地土壤有效磷含量和有效率也与Al-P、Fe-P和O-P变化趋势基本一致,并存在显著或极显著正相关关系,却均与有机磷呈负相关关系,但未达到显著水平,与Ca-P相关性不显著(表 2)。表明退耕后湿地无机磷控制着土壤磷素有效性。湿地土壤磷素生物有效性不仅与磷素形态有关,而且与植被生长状况、土壤微生物活性、理化性质等环境密切相关[4, 5, 13, 15]。退耕后前期由于植被恢复对有效磷的吸收和湿地周期性淹水导致有效磷流失,同时由于植被尚在恢复,植被分泌有机酸能力和保肥能力均较弱,而土壤微生物活性也不高,因此,土壤有效磷逐渐降低;退耕后期随着植被恢复,植被保肥能力、截留外源磷能力和分泌有机酸能力逐渐增强,同时土壤微生物活性增强,增加对有机磷的分解,表现出较高磷素有效性。相关性分析表明研究区湿地土壤有效磷含量和土壤磷素活化系数均与黏粒含量呈极显著负相关关系,与土壤有机质和pH呈负相关关系,但均未达到显著水平(表 2),表明退耕后湿地土壤磷素有效性也受土壤黏粒含量的影响。

另外,退耕湿地前是油菜地,由于农业施肥措施使土壤无机磷含量较高。退耕还湖2—5a,植被尚在恢复过程中,有较多地表裸露,周期性淹水可导致可溶性磷或颗粒态磷流失。因此,研究区土壤全磷量降低,其中主要是生物有效性较高的Al-P、Fe-P和O-P的流失,表明这段时期退耕湿地对于湖泊水体来讲是“磷”的释放源,存在污染水体的风险。退耕8 a以后,无论是有机磷还是无机磷均存在上升趋势,相对于水体表现出“汇”的功能,起着净化水体作用。退耕湿地的磷素“源”“汇”生态功能的转换与植被恢复密切相关。

4 结论

(1)菜子湖区湿地土壤无机磷形态以Fe-P为主,占无机磷总量的54.20%—74.13%,且退耕后与Al-P和O-P均呈先降低后升高趋势,而Ca-P退耕后一直持续增加,对无机磷贡献率(7.26%—26.72%)也持续增加,是退耕后湿地无机磷库恢复重要组分。周期性淹水和植被生长是导致退耕后无机磷各形态组分消长的重要因素。周期性淹水或洪水可能是退耕后湿地土壤Ca-P持续增加原因之一,而退耕后酸性土壤环境下Ca-P累积机理需进一步研究。

(2)湿地土壤无机磷占全磷的比例为35.90%—67.27%,有机磷占全磷的17.82% —50.50%。无机磷和全磷含量均随退耕年限延长呈先减少后增加的趋势,而有机磷含量退耕后逐渐升高,但无机磷主导着退耕后土壤全磷变化。退耕后植被恢复状况和周期性淹水带来的外源磷是湿地土壤全磷的增加重要因素。

(3)退耕后湿地土壤有效磷和磷素活化系数变化趋势均与Al-P、Fe-P和O-P一致,且与该3种无机磷存在显著或极显著正相关关系,结合退耕后几年该3种无机磷表层含量均低于亚表层,表明退耕后湿地磷素生物有效性取决于该3种形态无机磷含量,而有机磷和Ca-P生物有效性较小。同时退耕湿地土壤黏粒也是影响湿地土壤磷素生物有效性的重要因素。

(4)退耕还湖2—5a存在湿地表层土壤磷流失的风险,表现出磷素“源”的功能,而退耕8a后,湿地土壤表现出磷素“汇”的功能逐渐恢复,起着净化水体作用。而退耕湿地植被状况是土壤磷素“源”“汇”功能转换的驱动力。因此,应减少或避免对退耕湿地植被恢复过程的干扰,促使退耕湿地向原始湿地生态方向演变,进而恢复和提升退耕湿地的外源磷“汇”的生态功能。

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